Mecánica de fracturas en edificios

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Jorge Bernal

Capítulo 3: Fuerzas internas.

“W2 MF FUERZAS INT”

Mecánica de fracturas.

Capítulo 3: Fuerzas internas. Para comprender los principios de la Mecánica de Fractura es necesario conocer el origen y tipo de las fuerzas. En este capítulo estudiamos las fuerzas que se generan dentro de la masa de elementos de la construcción.

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Capítulo 3: Fuerzas internas.

1. Tipos de fuerzas. 1.1 General. Las fracturas resultan del intercambio de energía elástica, trabajo de fractura de superficie y disipación. La energía es generada por el trabajo y éste es función de la fuerza por una distancia; en estos capítulos explicamos el origen de las fuerzas que generan las energías de fractura. Es extraño, la mayoría de esas fuerzas no son tenidas en cuenta en el diseño y cálculo estructural. Distinción de las diferentes fuerzas que generan energía de fractura:  Gravitatorias: peso propio y sobrecargas de uso.  Inerciales: viento y sismo.  Electroquímicas: corrosión y acción química del agua en los materiales de la construcción y en los diferentes tipos de suelo.  Térmicas: de dilatación y contracción.  Bióticas: animales, insectos, plantas.

1.2 Internas y externas. Las fuerzas internas son las generadas por la masa propia del edificios; pisos, paredes, estructuras, cubiertas. Por ejemplo las producidas por diferencias térmicos en alguno de los componentes estructurales o de cierre del edificio. Las fuerzas externas son producidas por una o varias de las acciones que componen el entorno del edificio: viento, sismo, lluvias, nieve. También actúan las térmicas cuando la dilatación o contracción de los edificios o infraestructuras vecinas actúan sobre el edificio en estudio. En la imagen se observan las fracturas en la pared producidas por una expansión de arcillas activas. Arrancan en la región del dintel de la puerta (abajo izquierda) y se extienden inclinadas hacia la derecha. En este caso el suceso se produce por pérdida de agua en cañerías de sanitarios en la región izquierda abajo.

En la siguiente imagen las fisuras son provocadas por las fuerzas internas de masa; el revoque se contrae por evaporación en el tiempo de frague (arriba al medio). Abajo, a nivel de suelo las fracturas provienen de la expansión de hierro en corrosión en la viga de hormigón de encadenado.

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Capítulo 3: Fuerzas internas.

Ahora, en este capítulo solo estudiamos las internas y las organizamos en dos grandes partes: las de contracción y expansión.

2. Fuerzas internas: contracción. Estas son las fuerzas internas, que produce la misma masa de la pieza. Las fuerzas de contracción generan un estado de tracción dentro del sistema y provoca las llamadas fisuras de contracción. Son fisuras que copian en forma aproximada, en escala macro las estructura cristalina microscópica. En los suelos en general forman 120 grados. La imagen utilizada como logo es una geografía de fisuras provocadas por contracción del suelo al secarse. En la imagen de la izquierda la disposición de los enlaces atómicos de los componentes de la arcilla que forman hexágonos. Estas fuerzas actúan en diferentes elementos:  Suelos.  Paredes internas y perimetrales.  Pisos.  Revoques.  Hormigón armado (fundaciones, columnas, vigas y losas).

2.1 Contracción de los suelos. Las arcillas se componen de partículas tan pequeñas que interactúan en forma electro química con las moléculas de agua. En regiones muy próximas a la superficie de la partícula el agua deja de ser libre. Queda atraída por fuerzas eléctricas según los tipos de átomos que se compone la arcilla. De esa manera la partícula en los procesos de reducción del contenido de humedad se contrae. El suelo se fisura tanto en forma horizontal como vertical. Este fenómeno de reducción de volumen de la masa de suelo, puede desestabilizar a las estructuras que se construyan sobre su superficie; porque hay fuerzas y descensos que es energía que el edificio la disipa con fisuras.

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La masa de suelo superficial, en contacto con la atmósfera es quien pierde con mayor velocidad la humedad. El suelo de la imagen es residual, de fondo de una laguna con mucho material orgánico. En todos los casos de las fuerzas internas de masa de los materiales de la construcción existen dos tipos generales de fuerzas. Una de ellas es la provocada por la tensión superficial del agua en los meniscos capilares. Hacen fuerza para cerrar el conducto y provocan en el espacio del material un estado de tracción.

La otra es cuando el agua pierde su condición de líquido y se transforma en un material viscoso; es el agua libre que cambia por agua adsorbida en las adyacencias de las micros partículas de arcillas. El agua adsorbida posee una densidad cercana a los 1,4 g/cm3 y se mantiene cercana a la superficie de la partícula.

El resto del agua actúa libre con todas las cualidades normales; producen la llamada presión de poros.

2.2 Contracción de fragüe en hormigón. Hidratación. El cemento se hidrata y las cualidades de adherencia y dureza se producen por la reacción química de las partículas de cemento con el agua que genera calor. Por cada metro cúbico de hormigón se utilizan en forma aproximada unos 170 litros de agua para 300 kilos de cemento. En este caso la relación agua cemento (a/c) sería 0,56. Sólo el 25 % de esa cantidad de agua es tomada por el cemento para la hidratación (42 litros), el resto (128 litros) se evapora o queda como agua libre dentro de la masa de hormigón. Durante la evaporación se forman conductos capilares, al igual que el suelo produce fuerzas hacia el interior, lo contrae al hormigón. Esta es una de las causas de la contracción. La intensidad depende de variables como cantidad de cemento, agua, tipos de agregados, tipo de curado, temperatura ambiente.

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Este fenómeno comienza a actuar a una 2 a 6 horas luego del hormigonado. Luego de ese tiempo aparecen las fuerzas internas de retracción que se originan con el hormigón endurecido, porque los niveles de los capilares se profundizan aumentando las fuerzas de atracción en el material. Además están las fuerzas electro químicas que se generan entre las moléculas de agua y las paredes de las partículas.

Resistencia y coacción. En el proceso del fragüe del hormigón se superponen dos fenómenos contrapuestos o contrarios relacionados con las tensiones o esfuerzos internos. Uno de ellos responde a las tensiones de coacción o retracción que generan tracción en la masa durante el tiempo de secado. El otro es la resistencia que adquiere la masa con el paso del tiempo. Esta situación podemos mostrarla con un gráfico. En el eje de las ordenadas indicamos los valores de ambas tensiones; las de coacción y las de resistencia. En el eje de las abscisas el tiempo de endurecimiento. La curva cóncava es la de resistencia cuya pendiente aumenta durante el tiempo de fragüe, mientras que la curva de coacción es convexa y disminuye su valor en ese tiempo. Desde los esfuerzos en el denominado “tiempo de fisura” las tensiones de coacción son superiores a las de resistencia; el material inicia su fractura hasta que se detiene cuando la curva de resistencia supera a la de coacción.

La única prevención a este fisuramiento por contracción es realizar un cuidadoso curado, de forma tal de evitar la rápida evaporación del agua. En el caso de curados bajo agua, no se forman los meniscos de fuerza y la contracción se reduce en forma notable.

2.3 Contracción masa revoques. Es un proceso similar al del hormigón. Aquí la contracción dependerá del tipo de mezcla que se efectúe. Los revoques cuando la evaporación del agua de mezcla es rápida forma fisuras del tipo “araña” que tienen direcciones caóticas, pero en general las líneas de fisuras forman 120° entre sí. En una intersección se encuentran tres fisuras.

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Si la evaporación o la pérdida de agua es más rápida que la hidratación de las partículas de cal o cemento el revoque o mortero “se quema” en el vocabulario vulgar. En realidad el suceso es una falta de agua para terminar la hidratación de las partículas.

2.4 Contracción por disminución temperatura. Todos los materiales sufren variación de su volumen con los diferenciales de temperatura. En el caso de las paredes, hormigón o acero, el coeficiente térmico es bastante similar. El coeficiente da una medida de la longitud de contracción por grado de variación de temperatura. Para tener una idea los materiales de la construcción (excepto la madera) varían unos 1,5 mm por cada 100 metros de longitud y por grado centígrado. Esto significa que una variación de temperatura que en nuestra región puede alcanzar el gradiente de 30°C la pieza (fachadas de viviendas o pavimentos) en una longitud de 100 metros se contrae 45 mm (4,5 cm). Las fuerzas que produce la contracción son superiores a la resistencia de los materiales y terminan por fracturarlos. Esto se observa en las veredas y fachadas de las viviendas.

2.5 Contracción de la madera. La madera durante su secado también pierde agua contenida entre sus moléculas, se acrecientan las fuerzas de adherencia y la madera reduce su volumen. El problema de algunas maderas es la contracción diferencial. En ese caso, los cabios, las correas o las tablas se doblan.

3. Fuerzas internas: expansión. En general es el proceso inverso de la contracción, pero no en todos los casos.

3.1 Expansión de suelos. En los suelos el fenómeno es totalmente distinto. Aquí no hay procesos de fuerzas capilares. En realidad existe una reacción electro química. Las moléculas de agua que llegan a la superficie de las partículas son tomadas por las fuerzas eléctricas y forman capas que aumentan el volumen de cada partícula. Con esto el suelo sufre una expansión, un notable aumento del volumen.

3.2 Expansión en el hormigón por aumento humedad. El hormigón que ha sido curado y durante años permanece expuesto al clima libre, los poros capilares pierden gran parte de su contenido de agua pero el fenómeno de fuerzas capilares aún subsiste. Si a ese hormigón lo sumergimos en agua, ésta entra por los poros y llega hasta los profundos meniscos que aún ejercen fuerzas de contracción. Una vez en contacto del agua de menisco con el agua externa se equilibran

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las fuerzas y se anulan las componentes radiales de contracción. En este caso el hormigón sufre una expansión por saturación de los poros.

3.3 Expansión del hormigón por corrosión acero. Hay que diferenciar la oxidación de la corrosión. El hierro, las barras que habitualmente se utilizan en el hormigón armado poseen el color marrón característico de una oxidación. Esto es bueno, es favorable para la adherencia entre la pasta de cemento (capa pasivadora) y la superficie de las barras. Incluso las partículas de óxido se mezclan con las de cemento para generan una lámina que protege al hierro con alta alcalinidad (pH mayor de 12).

En la imagen superior la expansión producida por la corrosión de las armaduras provocó el desprendimiento de parte de la masa de hormigón. La corrosión se produce cuando se forma un ánodo y cátodo en la superficie de la barra y comienza un proceso de reducción del hierro. Es el inicio de la corrosión. En esta reacción aumenta el volumen de la barra por las capas hierro descompuesto. Ese incremento de volumen es una expansión que termina fisurando al hormigón que lo rodea.

3.4 Expansión por aumento temperatura. Explicamos en puntos anteriores la contracción por reducción de temperatura. Aquí el proceso es contrario, hay una expansión, un aumento de volumen. Si bien se lo puede explicar de la misma manera que la contracción, hay que tener en cuenta que el esfuerzo que se produce en los materiales de la construcción son inversos. Si hay confinamiento en el suceso de contracción habrá esfuerzos de tracción, mientras en el de expansión existirá compresión. Si bien las paredes de ladrillos cerámicos y el hormigón poseen resistencias muy bajas a la tracción y elevadas a la compresión, hay situaciones como las mostradas en las imágenes que siguen, donde por falta de mantenimiento de juntas de dilatación, el pavimento se quiebra, se fractura.

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3.5 Expansión de la madera. En estos casos la expansión viene acompañada de una descomposición de la madera. El agua se mete entre sus fibras y terminan afectando su calidad y vida útil.

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